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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1, ein Energiesystem gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 8, ein Verfahren zum Betrieb einer Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 11 sowie ein Verfahren zum Betrieb eines Energiesystems gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 12.
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Für erneuerbare Energiequellen, beispielsweise Photovoltaikanlagen oder Windkraftanlagen, ist aufgrund ihrer Fluktuationen für eine gesicherte und kontinuierliche Energieversorgung, beispielsweise mit Strom, Wärme und/oder Kälte, eine effiziente Speicherung der erneuerbar erzeugten Energie erforderlich. Zur Speicherung sind insbesondere elektrochemische Energiespeicher, beispielsweise Batteriespeicher, und/oder thermische Energiespeicher bekannt.
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Grundsätzlich sind mehrere technische Möglichkeiten zum Ausgleich der Fluktuationen der erneuerbaren Energiequellen bekannt. Für eine kurzfristige Stromspeicherung sind Batteriespeicher vorgesehen. Für eine mittelfristige bis längerfristige Stromspeicherung können thermomechanische Energiespeicher, beispielsweise adiabate Druckluftspeicherkraftwerke, verwendet werden. Weiterhin sind hybride Konzepte denkbar, bei welchen Wärme und Strom gleichzeitig oder unabhängig voneinander, beispielsweise sequenziell, bereitgestellt werden.
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Weiterhin ist eine Speicherung der erneuerbar erzeugten Energie mittels Wasserstoffs möglich. Hierbei erfolgt mittels der erneuerbar erzeugten elektrischen Energie (Strom) eine Wasserelektrolyse, wodurch Wasserstoff bereitgestellt wird. Der Wasserstoff wird für eine spätere Rückverstromung gespeichert beziehungsweise zwischengespeichert. Insbesondere wird dadurch eine längerfristige Speicherung, beispielsweise zum Ausgleich von saisonalen Effekten, ermöglicht.
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Typischerweise erfolgt die Wasserstofferzeugung, das heißt die Erzeugung des Wasserstoffes, mittels einer Elektrolyse, beispielsweise mittels einer Protonenaustauschelektrolyse oder einer Membranelektrolyse. Die Elektrolyse erfolgt hierbei bei Temperaturen im Bereich von 30 Grad Celsius bis 80 Grad Celsius, wobei etwa 50 Prozent bis 80 Prozent der eingesetzten elektrischen Energie in Wasserstoff umgesetzt werden. Die restliche Energie wird mittels einer Kühlung abtransportiert. Somit weist die Speicherung von Wasserstoff insgesamt einen Wirkungsgrad unterhalb von 50 Prozent auf. Der Großteil der eingesetzten Energie wird somit nicht genutzt. Dadurch ergibt sich eine entsprechende Überdimensionierung der erneuerbaren Energiequellen.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Wirkungsgrad einer Wasserelektrolyse zu verbessern.
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Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruches 1, durch ein Energiesystem mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruches 8 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruches 12 und ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruches 13 gelöst. In den abhängigen Patentansprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung angegeben.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst einen Elektrolyseur zur Wasserelektrolyse und eine Wärmepumpe. Erfindungsgemäß ist eine Wärmequellenseite der Wärmepumpe wenigstens mit einer Abwärmequelle des Elektrolyseurs thermisch gekoppelt.
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Grundsätzlich können thermische Kopplungen mittels eines Wärmetauschers ausgebildet sein.
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Ist im Folgenden beispielsweise von einer Zuführung, Abführung, Verwendung, Weiterleitung und/oder einer sonstigen Übertragung von Wärme/Abwärme und/oder Speicherung von Wärme/Abwärme die Rede, so bezieht sich dies auf wenigstens einen Teil der Wärme/Abwärme. Es ist somit nicht erforderlich, insbesondere aufgrund von Verlusten, dass die gesamte Wärme/Abwärme zugeführt, abgeführt, verwendet, weitergeleitet und/oder in sonstiger Weise übertragen und/oder gespeichert wird. Eine nahezu vollständige Zuführung, Abführung, Verwendung, Weiterleitung und/oder in sonstigerweise ausgestalte Übertragung und/oder Speicherung der Wärme/Abwärme kann jedoch vorgesehen sein.
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Die Wärmequellenseite der Wärmepumpe ist die zur Wärmeaufnahme vorgesehene Schnittstelle der Wärmepumpe. Typischerweise wird diese Schnittstelle durch einen Verdampfer der Wärmepumpe ausgebildet. Mit anderen Worten nimmt die Wärmepumpe an ihrer Wärmequellenseite Wärme aus der thermisch mit dieser gekoppelten Wärmequelle auf. Die aus der Wärmequelle aufgenommene Wärme wird durch Verwendung von elektrischer Energie auf ein höheres Temperaturniveau angehoben und an einer Wärmesenkenseite der Wärmepumpe, beispielsweise für einen Wärmeverbraucher, wenigstens teilweise mit einer höheren Temperatur bereitgestellt beziehungsweise abgegeben. Typischerweise wird die Wärmesenkenseite durch einen Kondensator der Wärmepumpe ausgebildet.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung ist die Wärmequellenseite der Wärmepumpe mit der Abwärmequelle des Elektrolyseurs thermisch gekoppelt. Mit anderen Worten ist die Vorrichtung erfindungsgemäß dazu ausgebildet, wenigstens einen Teil einer Abwärme der Abwärmequelle beziehungsweise des Elektrolyseurs mittels der Wärmepumpe auf ein höheres Temperaturniveau anzuheben und an der Wärmesenkenseite der Wärmepumpe mit dem höheren Temperaturniveau bereitzustellen. Anders gesagt wird die Abwärmequelle durch die erfindungsgemäß vorgesehene Wärmepumpe bezüglich ihrer Temperatur beziehungsweise bezüglich ihres Temperaturniveaus aufgewertet. Dadurch wird vorteilhafterweise die Abwärme des Elektrolyseurs wenigstens teilweise nutzbar, wodurch der Wirkungsgrad der Vorrichtung und somit der Wasserelektrolyse verbessert wird. Das ist deshalb der Fall, da die Abwärme des Elektrolyseurs typischerweise eine Temperatur im Bereich von 30 Grad Celsius bis 80 Grad Celsius aufweist. Dieser Temperaturbereich ist für Wärmenetze, beispielsweise Fernwärmenetze oder Nahwärmenetze, die typischerweise eine Vorlauftemperatur im Bereich von 80 Grad Celsius bis 150 Grad Celsius aufweisen, zu niedrig.
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Durch die erfindungsgemäß vorgesehene Wärmepumpe ist das Temperaturniveau der Abwärme des Elektrolyseurs auf ein deutlich höheres Temperaturniveau anhebbar, beispielsweise auf ein Temperaturniveau oberhalb von 100 Grad Celsius. Mit anderen Worten wird erfindungsgemäß die Abwärme des Elektrolyseurs bezüglich ihrer Temperatur aufgewertet. Vorteilhafterweise kann dadurch wenigstens ein Teil der Abwärme, beispielsweise für ein Wärmenetz, verwendet werden. Insgesamt wird dadurch der Wirkungsgrad der Wasserelektrolyse verbessert.
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Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, dass mittels der Vorrichtung elektrische Energie (Strom) und Wärme aus erneuerbaren Energiequellen bereitgestellt werden kann. Dadurch kann unabhängig von den Fluktuationen der erneuerbaren Energiequellen elektrische Energie und/oder Wärme bereitgestellt werden. Mit anderen Worten bildet die Vorrichtung ein Speichersystem zur Bereitstellung von Strom und Wärme mittels Wasserstoffs aus.
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Das erfindungsgemäße Energiesystem umfasst einen Elektrolyseur zur Wasserelektrolyse, einen Wasserstoffspeicher zur wenigstens teilweisen Speicherung des bei der Wasserelektrolyse bereitgestellten Wasserstoffes, und eine Rückverstromungseinheit zur wenigstens teilweisen Rückverstromung des gespeicherten Wasserstoffes. Erfindungsgemäß umfasst das Energiesystem eine Wärmepumpe, wobei eine Wärmequellenseite der Wärmepumpe mit einer Abwärmequelle des Elektrolyseurs und/oder mit einer Abwärmequelle der Rückverstromungseinheit thermisch gekoppelt ist.
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Es ergeben sich zur erfindungsgemäßen Vorrichtung gleichartige und gleichwertige Vorteile des erfindungsgemäßen Energiesystems.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betrieb eines Energiesystems umfasst wenigstens die Schritte:
- - Wasserelektrolyse mittels eines Elektrolyseurs;
- - teilweise Speicherung des bei der Wasserelektrolyse bereitgestellten Wasserstoffes mittels eines Wasserstoffspeichers; und
- - teilweise Rückverstromung des gespeicherten Wasserstoffes mittels einer Rückverstromungseinheit.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist gekennzeichnet dadurch, dass eine Abwärme des Elektrolyseurs und/oder der Rückverstromungseinheit einer Wärmequellenseite der Wärmepumpe zugeführt wird.
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Mit anderen Worten wird erfindungsgemäß die Abwärme zur Erhöhung ihres Temperaturniveaus beziehungsweise ihrer Temperatur der Wärmequellenseite der Wärmepumpe zugeführt.
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Es ergeben sich zur erfindungsgemäßen Vorrichtung gleichartige und gleichwertige Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Bevorzugt umfasst das Energiesystem eine Photovoltaikanlage und/oder eine Windkraftanlage, wobei der Elektrolyseur und/oder die Wärmepumpe wenigstens teilweise durch die erneuerbare Energiequelle betreibbar sind/ist.
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Mit anderen Worten ist es von Vorteil, wenn der Elektrolyseur und/oder die Wärmepumpe mit Strom aus einer erneuerbaren Energiequelle, insbesondere einer oder mehreren Photovoltaikanlagen und/oder einer oder mehreren Windkraftanlage, wenigstens teilweise betrieben wird.
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Dadurch werden vorteilhafterweise Fluktuation in der Energieerzeugung der Photovoltaikanlage und/oder der Windkraftanlage geglättet, abgeschwächt und/oder ausgeglichen.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Abwärmequelle eine Rückkühlung des Elektrolyseurs.
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Vorteilhafterweise ist dadurch ein geringerer Energieaufwand für die Rückkühlung der Elektrolyse beziehungsweise des Elektrolyseurs erforderlich. Mit anderen Worten bildet die Wärmepumpe wenigstens einen Teil einer Kühleinheit des Elektrolyseurs aus. Das ist deshalb der Fall, da die Wärmepumpe wenigstens einen Teil der Abwärme des Elektrolyseurs aufnimmt und somit vom Elektrolyseur abführt. Dadurch wird vorteilhafterweise der Wirkungsgrad der Vorrichtung und der Wasserelektrolyse weiter verbessert.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung umfasst die Vorrichtung eine Rückverstromungseinheit, insbesondere eine Kraft-Wärme-Kopplungs-Anlage und/oder eine Brennstoffzelle, zur wenigstens teilweisen Rückverstromung des mittels der Wasserelektrolyse erzeugten Wasserstoffes.
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Vorteilhafterweise kann dadurch eine Rückverstromung des Wasserstoffes, der beispielsweise zwischengespeichert wurde, erfolgen.
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Hierbei ist es besonders bevorzugt, wenn die Wärmequellenseite der Wärmepumpe weiterhin mit einer Abwärmequelle der Rückverstromungseinheit, beispielsweise einer Kühleinheit der Rückverstromungseinheit, thermisch gekoppelt ist.
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Dadurch wird vorteilhafterweise zusätzlich eine bei der Rückverstromung anfallende Abwärme wenigstens teilweise mittels der Wärmepumpe bezüglich ihrer Temperatur beziehungsweise ihres Temperaturniveaus aufwertbar. Insbesondere weist das Abgas einer Kraft-Wärme-Kopplungs-Anlage typischerweise eine Temperatur im Bereich von 20 Grad Celsius bis 120 Grad Celsius auf. Dieser Temperaturbereich ist nach dem Stand der Technik nicht nutzbar. Die vorliegende Erfindung ermöglicht hingegen eine Nutzung durch die Aufwertung der Temperatur mittels der Wärmepumpe.
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Weiterhin kann es im Abgas der Kraft-Wärme-Kopplungs-Anlage zur Kondensation von Wasserdampf kommen. Vorteilhafterweise wird über diese Kondensation eine größere Wärmemenge nutzbar als durch eine sensible Abkühlung. Vorteilhafterweise kann dadurch der Energieunterschied des Wassers zwischen seinem flüssigen und gasförmigen Aggregatzustand zusätzlich wenigstens teilweise rückgewonnen werden. Zusätzlich und/oder ergänzend ist bei Verwendung weiterer Brennstoffe eine Nutzung des brennwertbezogenen Energieinhalts möglich. Insbesondere wird die Kraft-Wärme-Kopplungs-Anlage mittels des erzeugten Wasserstoffes und/oder mittels fossiler und/oder mittels synthetischer Brennstoffe betrieben. Ebenfalls sind Brennstoffmischungen denkbar. Insgesamt wird dadurch der Wirkungsgrad der Kraft-Wärme-Kopplungs-Anlage und somit der Wirkungsgrad der Vorrichtung weiter verbessert.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Wärmepumpe als eine Hochtemperaturwärmepumpe ausgebildet.
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Dadurch kann vorteilhafterweise die bezüglich ihres Temperaturniveaus aufgewertete Abwärme mit einer Temperatur oberhalb von 90 Grad Celsius, insbesondere oberhalb von 100 Grad Celsius, insbesondere mit einer Temperatur im Temperaturbereich von 100 Grad Celsius bis 150 Grad Celsius, bereitgestellt werden. Hierbei ist eine Hochtemperaturwärmepumpe eine Wärmepumpe, die dazu ausgebildet ist Wärme mit einer Temperatur oberhalb von 90 Grad Celsius, insbesondere oberhalb von 100 Grad Celsius, an ihrer Wärmesenkenseite bereitzustellen.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung umfasst die Vorrichtung einen ersten Wärmespeicher zur wenigstens teilweisen Speicherung der Abwärme aus einer der Abwärmequellen, wobei der erste Wärmespeicher mit der Wärmequellenseite der Wärmepumpe thermisch gekoppelt ist.
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Mit anderen Worten ist es von Vorteil, wenn die Abwärme des Elektrolyseurs, insbesondere der Rückkühlung, vor der Zuführung zur Wärmequellenseite der Wärmepumpe mittels des ersten Wärmespeichers zwischengespeichert wird. Dadurch wird vorteilhafterweise die Wasserelektrolyse zeitlich von der Bereitstellung der Wärme entkoppelt. Mit anderen Worten kann zeitlich unabhängig von der Elektrolyse Wärme mittels der Wärmepumpe bereitgestellt werden. Selbiges gilt für die Abwärme der Rückverstromungseinheit.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Vorrichtung einen zweiten Wärmespeicher zur Speicherung der durch die Wärmepumpe bereitgestellten Wärme auf.
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Mit anderen Worten ist es von Vorteil, wenn die mittels der Wärmepumpe an ihrer Wärmesenkenseite bereitgestellte Wärme mittels des zweiten Wärmespeichers, beispielsweise eines Heißwasserspeichers, zwischengespeichert wird. Dadurch wird vorteilhafterweise die Flexibilität der Vorrichtung, insbesondere in Verbindung mit dem ersten Wärmespeicher, bezüglich der Erzeugung und Bereitstellung von Wärme und elektrischer Energie (Strom) weiter verbessert. Insbesondere können bei den vorliegenden Temperaturniveaus kostengünstige Wärmespeicher verwendet werden.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst das Energiesystem wenigstens teilweise ein Wärmenetz, insbesondere ein Fernwärmenetz und/oder Nahwärmenetz, wobei eine Wärmesenkenseite der Wärmepumpe mit dem Wärmenetz thermisch gekoppelt ist.
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Dadurch kann vorteilhafterweise die Abwärme des Elektrolyseurs und/oder der Rückverstromungseinheit für ein Wärmenetz bereitgestellt und verwendet werden. Die thermische Kopplung der Wärmepumpe mit dem Wärmenetz kann mittels eines Wärmetauschers erfolgen.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen schematisiert:
- 1 ein Blockdiagramm einer Vorrichtung und eines Energiesystems gemäß einer ersten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung;
- 2 ein Blockdiagramm einer Vorrichtung und eines Energiesystems gemäß einer weiteren Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung; und
- 3 ein weiteres Blockdiagramm eines Energiesystems gemäß einer weiteren Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung.
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Gleichartige, gleichwertige oder gleichwirkende Elemente können in einer der Figuren oder in den Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen sein.
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Die 1 zeigt ein Energiesystem 100 beziehungsweise eine Vorrichtung 1 gemäß einer ersten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung.
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Die Vorrichtung 1 umfasst einen Elektrolyseur 2, eine Wärmepumpe 4, einen Wasserstoffspeicher 6 sowie eine Rückverstromungseinheit 8.
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Das Energiesystem 100 umfasst weiterhin eine oder mehrere erneuerbare Energiequellen 10, beispielsweise Photovoltaikanlagen und/oder Windkraftanlagen. Der mittels der erneuerbaren Energiequellen 10 erzeugte elektrische Strom kann zur Deckung eines Strombedarfs 20 verwendet werden und/oder zwischengespeichert werden. Für die Speicherung der elektrischen Energie können Batteriespeicher 12 und/oder thermomechanische Energiespeicher 14 vorgesehen sein. Hierbei kann bei der thermomechanischen Speicherung Wärme beziehungsweise Abwärme anfallen, die direkt zur Deckung einer Wärmelast 40 beziehungsweise eines Wärmebedarfs 40 verwendet werden kann.
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Der Elektrolyseur 2 ist zur Wasserelektrolyse vorgesehen. Der Elektrolyseur 2 und die Wärmepumpe 4 können mit Strom aus den fluktuierenden erneuerbaren Energiequellen 10, beispielsweise aus Photovoltaikanlagen und/oder Windkraftanlagen, betrieben werden. Der mittels des Elektrolyseur 2 erzeugte Wasserstoff wird mittels des Wasserstoffspeichers 6 gespeichert beziehungsweise zwischengespeichert. Eine Rückverstromung des mittels des Wasserstoffspeichers 6 gespeicherten Wasserstoffes kann mittels der Rückverstromungseinheit 8, beispielsweise mittels einer Kraft-Wärme-Kopplungs-Anlage und/der einer Brennstoffzelle, erfolgen.
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Typischerweise ist eine Kühlung des Elektrolyseurs 2 während der Wasserelektrolyse erforderlich. Beispielsweise erfolgt dies mittels einer Rückkühleinheit 42. Mit anderen Worten ist es erforderlich die bei der Wasserelektrolyse erzeugte Wärme beziehungsweise Abwärme wenigstens teilweise mittels der Rückkühleinheit 42 abzuführen. Hierbei weist die Abwärme 42 (Abwärme des Elektrolyseurs 2 beziehungsweise der Rückkühleinheit 42) typischerweise eine niedrige Temperatur im Bereich von 30 Grad Celsius bis 80 Grad Celsius auf. Das genannte Temperaturniveau ist für typische industrielle Anwendungen unbrauchbar. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die Abwärme 42 einer Wärmequellenseite der Wärmepumpe 4 zugeführt. Mit anderen Worten ist die Wärmepumpe 4 mit der Rückkühlung 42 zur teilweisen Aufnahme der Abwärme 42 thermisch gekoppelt. Dadurch wird vorteilhafterweise die Temperatur der Abwärme 42 mittels der Wärmepumpe 4, beispielsweise auf eine Temperatur im Bereich von 80 Grad Celsius bis 150 Grad Celsius, erhöht. Mit anderen Worten wird mittels der Wärmepumpe 4 die Abwärme bezüglich ihrer Temperatur aufgewertet. Insbesondere ist hierzu eine Hochtemperaturwärmepumpe vorteilhaft. Die Wärmepumpe 4 stellt die bezüglich ihrer Temperatur aufgewertete Abwärme 42 für einen Wärmeverbraucher, beispielsweise ein Wärmenetz, an ihrer Wärmesenkenseite wenigstens teilweise bereit. Mit anderen Worten wird ein Teil des Wärmebedarfs 40 des Energiesystems 100 mittels der Wärmepumpe 4 bereitgestellt. Die Abwärme des Elektrolyseurs 2 geht somit nicht vollständig verloren, sondern wird wenigstens teilweise mittels der Wärmepumpe 4 bezüglich ihrer Temperatur aufgewertet und zur wenigstens teilweisen Deckung des Wärmebedarfs 40 verwendet.
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Weiterhin können weitere Abwärmequellen bezüglich der Wasserelektrolyse mit der Wärmequellenseite der Wärmepumpe 4 thermisch gekoppelt sein. Gemäß der dargestellten Ausgestaltung der Erfindung ist ebenfalls die Rückverstromungseinheit 8, beispielsweise eine Kraft-Wärme-Kopplungs-Anlage, mit der Wärmequellenseite der Wärmepumpe 4 thermisch gekoppelt. Dadurch kann vorteilhafterweise alternativ oder ergänzend ein Teil der Abwärme 43 der Rückverstromungseinheit 8 mittels der Wärmepumpe 4 bezüglich ihrer Temperatur aufgewertet und alternativ oder ergänzend zur aufgewerteten Abwärme 42 wenigstens teilweise zur Deckung des Wärmebedarfs 40 verwendet werden. Mit anderen Worten geht ebenfalls die Abwärme 43 der Rückverstromungseinheit 8 nicht vollständig verloren.
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Die 2 zeigt eine zu 1 vergleichbare zweite Ausgestaltung der Erfindung. Hierbei umfasst 2 alle Elemente der 1. Somit ist das unter 1 Gesagte unmittelbar und eindeutig auf 2 übertragbar.
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Ergänzend zur 1 umfasst die Vorrichtung 1 einen ersten Wärmespeicher 51 (Abwärmespeicher) sowie einen zweiten Wärmespeicher 52 (Heißwasserspeicher).
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Der erste Wärmespeicher 51 ist zur wenigstens teilweisen Speicherung beziehungsweise Zwischenspeicherung der Abwärme 42 (Abwärme des Elektrolyseurs 2 beziehungsweise der Rückkühleinheit 42) und/oder zur Speicherung beziehungsweise Zwischenspeicherung der Abwärme 43 (Abwärme der Rückverstromungseinheit 8 beziehungsweise ihrer Kühleinheit) vorgesehen.
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Der zweite Wärmespeicher 52 ist zur wenigstens teilweisen Speicherung beziehungsweise Zwischenspeicherung der durch die Wärmepumpe 4 bereitgestellten Wärme vorgesehen.
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Dadurch wird vorteilhafterweise eine nahezu unabhängige Bereitstellung von Strom und Wärme ermöglicht. Somit können vorteilhafterweise eine fluktuierende Erzeugung des Stroms sowie ein fluktuierender Strombedarf und/oder Wärmebedarf ausgeglichen werden. Mit anderen Worten ermöglicht die vorliegende Erfindung eine Entkopplung der Erzeugung des Stromes von einer Bereitstellung oder Verwendung des Stromes und der Bereitstellung oder Verwendung von Wärme.
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Die 3 zeigt ein weiteres Blockdiagramm eines Energiesystems 100 gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung.
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Hierbei umfasst die 3 im Wesentlichen dieselben Elemente wie bereits die 1 und/oder die 2. Somit kann das unter 1 und/oder 2 Gesagte unmittelbar und eindeutig auf 3 übertragen werden.
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Das Energiesystem 100 umfasst wenigstens eine oder mehrere erneuerbare Energiequellen 10, die Primärenergie in Form von elektrischer Energie, das heißt Strom, bereitstellen. Exemplarisch sind eine Photovoltaikanlage und eine Windkraftanlage dargestellt. Vorliegend weist die Photovoltaikanlage eine Leistung von 6 Megawatt und die Windkraftanlage eine Leistung von 39 Megawatt auf. Der durch die erneuerbaren Energiequellen erzeugte Strom kann zur Deckung eines Strombedarfs 20 direkt verwendet werden. Weiterhin kann der erneuerbar erzeugte Strom mittels eines Batteriespeicher 12, beispielsweise mit einer Kapazität von 35 Megawattstunden, zwischengespeichert werden.
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Das Energiesystem 100 weist weiterhin einen Elektrolyseur 2 für eine Wasserstofferzeugung auf, beispielsweise mit einer Leistung von 14 Megawatt. Mittels eines Verdichters 18 wird der mittels des Elektrolyseur 2 erzeugte gasförmige Wasserstoff verdichtet und verflüssigt. Der verflüssigte Wasserstoff wird anschließend mittels eines Wasserstoffspeichers 6 zwischengespeichert. Hierbei kann der Wasserstoffspeicher 6 eine Kapazität von 1500 Megawattstunden aufweisen. Der mittels des Wasserstoffspeichers 6 zwischengespeicherte Wasserstoff kann mittels einer Rückverstromungseinheit 8 wieder in elektrische Energie, das heißt Strom, gewandelt werden. Beispielsweise ist die Rückverstromungseinheit 8 als Gas- und Dampfkraftwerk ausgebildet und weist eine Leistung von etwa 7 Megawatt elektrisch und 2 Megawatt thermisch auf.
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Gemäß der vorliegenden Ausgestaltung der Erfindung wird die thermische Leistung der Rückverstromungseinheit 8 wenigstens teilweise einer Wärmequellenseite zur Erhöhung ihres Temperaturniveaus beziehungsweise ihrer Temperatur einer Wärmepumpe 4 zugeführt. Weiterhin wird eine Abwärme des Elektrolyseurs 2 der Wärmequellenseite der Wärmepumpe 4 zugeführt. Alternativ oder ergänzend kann eine Abwärme der Rückverstromungseinheit 8 direkt zur wenigstens teilweisen Deckung eines Wärmebedarfs 40 verwendet werden. Die Wärmepumpe 4 ist vorliegend als Hochtemperaturwärme mit einer thermischen Leistung von etwa 5 Megawatt ausgebildet. Die mittels der Wärmepumpe 4 bereitgestellte Wärme kann mittels eines Heißwasserspeichers 52, der eine Kapazität von 297 Megawattstunden aufweist, zwischengespeichert werden. Mittels der mittels des Heißwasserspeichers 52 gespeicherten thermischen Energie kann ebenfalls der Wärmebedarf 40 wenigstens teilweise gedeckt werden.
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Weiterhin kann der mittels der erneuerbaren Energiequellen 10 erzeugte Strom mittels einer elektrischen Heizung 16, die vorliegend eine Heizleistung von 14 Megawatt thermisch aufweist, direkt in Wärme zur teilweisen Deckung des Wärmebedarfs 40 herangezogen werden.
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Obwohl die Erfindung im Detail durch die bevorzugten Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt oder andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Vorrichtung
- 2
- Elektrolyseur
- 4
- Wärmepumpe
- 6
- Wasserstoffspeicher
- 8
- Rückverstromungseinheit
- 10
- erneuerbare Energiequelle
- 12
- Batteriespeicher
- 14
- Thermomechanischer Energiespeicher
- 16
- elektrische Heizung
- 18
- Verdichter
- 20
- Strombedarf
- 40
- Wärmebedarf
- 42
- Abwärmequelle des Elektrolyseurs/Rückkühlung
- 43
- Abwärmequelle der Rückverstromungseinheit
- 51
- erster Wärmespeicher
- 52
- zweiter Wärmespeicher
- 100
- Energiesystem
